CN103732877A - 用于确定储罐中的还原剂的量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定意在还原机动车辆的废气中的NOx的量的系统的储罐（10）中的还原剂的量的方法。该系统包括：设置在储罐（10）中并能够根据对还原剂的需求可逆地存储和释放还原剂的存储材料（11），对还原剂的需求可随时间推移而变化；设计成提供热量以从存储材料（11）释放还原剂的加热装置（12）；以及用于驱动加热装置（12）以释放还原剂的控制装置（13）。该方法包括以下步骤：a)只要机动车辆一启动，就驱动加热装置（12）使得它在称为初始阶段的阶段期间传递恒定功率，在该初始阶段期间储罐（10）内的压力增加直到它达到预定值，然后调整加热装置（12）的驱动以围绕基准值调节压力；b)测量初始阶段的时间或在该初始阶段期间压力对时间的导数；c)将测量的初始阶段的时间、所述压力对时间的导数或两者的组合与根据储罐（10）中的还原剂的量的初级阶段的各个校准的值相比较以确定所述储罐（10）中的所述还原剂的量。

Description

用于确定储罐中的还原剂的量的方法

技术领域

所提出的发明涉及用于测量包含在储罐中的还原剂的水平的装置。

背景技术

与运输有关的污染物的排放已成为近三十年来行业进步的重要驱动力。针对四种管制污染物（CO、HC、NOx、颗粒）的排放限制的逐步加强已使得可以显著改善空气质量，尤其是在大建筑物密集的区域。

日益增长的汽车的使用需要继续努力以进一步减少这些污染物的排放。因此，在预计于2015年生效的€6标准的更严格的欧洲排放水平的情况下，氮氧化物（NOx）的减少仍然是复杂的问题。在所有行驶条件下具有可用的高效清理技术对于运输行业仍然是重大的挑战。

其次，与CO2排放直接有关的燃料消耗已成为关注的重点。因此，从2012年起对于私家车辆的CO2排放的规定将以欧洲水平实施。已达成一致的是，在未来几十年里将定期地降低该限制。因此，CO2的减少显然被强加给整个运输行业。

局部污染（NOx）的降低和燃料消耗（CO2）的降低这两方面的问题对于柴油发动机是特别困难的，柴油发动机的稀薄燃烧伴随有难以处理的NOx。

已经存在诸如在EPI977817中所描述的设备，通过利用存储在储罐内设置的碱土氯盐类型的存储材料中的氨的SCR（选择性催化还原）催化剂能够还原NOx的量。由于该反应与存储材料内的温度直接相关，因此通过可以加热存储材料的加热装置来驱动氨到废气中的注入，以启用可逆的吸收/解吸氨反应。

实际上，氨以NOx还原反应的化学计量比被连续不断地注入到废气中。因此，必须能够在车上存储足够量的氨。为了限制包含存储材料的储罐的大小，汽车制造商赞成定期填充或更换储罐，例如在发动机保养（更换机油）期间或在填充燃料罐时。根据所考虑的车辆（私家车辆、重型货车等），有必要在车辆寿命期间提供10到100次之间的填充储罐或更换储罐的操作。

这种需要确保在整个车辆寿命内有效治理NOx污染的定期维护操作是使用SCR技术的不同国家具体规定的主题。所有这些规定的共同点是必须能够确定储罐中剩余的氨的量，以能够在必须进行填充时提醒驾驶员。例如，在针对私家车辆的欧洲立法中，必须能够测量至少两个在2400km和800km处（分别大致对应于3次燃料填充和1次燃料填充）的剩余操作范围阈值。

此外，在各自包括氨存储材料的几个储罐是在车载的情况下，为了简化车辆中的氨存储系统的集成，或改进它的操作（引入冷却单元），必须知道每个储罐中剩余的氨的量，以便发动机控制单元能够以最佳的方式驱动包含在这些不同储罐中的氨的注入。

因此，本发明的目的在于提出一种确定还原剂（优选为包含在储罐中的氨）的量的手段。

发明内容

根据本发明，由于确定旨在还原机动车辆的废气中的NOx的量的系统的储罐中的还原剂的量的方法而实现了该目的。该系统包括：

-存储材料，该存储材料设置在储罐中并且能够根据对还原剂的需求可逆地存储和释放还原剂，该需求可随时间推移而变化；

-加热装置，该加热装置设计成提供热量以用于从存储材料释放还原剂；

-控制装置，该控制装置用于驱动加热装置以释放还原剂，

根据本发明的方法包括以下步骤：

a)当机动车辆启动时，确定储罐内的压力和温度是否稳定，

b)肯定地，驱动加热装置，使得它在称为初始阶段的阶段期间传递恒定功率，从而在切换至称为围绕基准值的调节压力的阶段之前使储罐内的压力增加直到该压力达到预定值；

c)测量初始阶段的时间；

d)将所述初始阶段的测量的时间与针对储罐的各种校准值相比较，以确定所述储罐中的还原剂的量。

附图说明

通过阅读以示例的方式而不以任何方式限定以及通过参照示意图唯一地给出的优选形式的实施方式的描述后，本发明的特点将变得更清楚，在所述示意图中：

图1表示氨存储和供应系统的功能架构；

图2示出了在系统的初始和调节阶段期间储罐中的压力以及氨的流速的演变；

图3示出了根据用还原剂填充储罐的三个速度的储罐内的压力的演变；

图4示出了根据用还原剂填充储罐的三个速度的图3的储罐内的压力对时间的导数；

图5表示针对用还原剂填充储罐的三个速度，根据环境温度的压力升高时间的映射，以及

图6表示针对用还原剂填充储罐的三个速度，根据环境温度的所述压力对时间的导数的映射。

具体实施方式

根据图1，用于实施根据本发明的方法的系统包括储罐10，储罐10包含存储材料11，其中优选存储用于还原机动车辆的废气中的NOx的氨。加热装置12设计成将热量提供至存储材料11，使得氨可从存储材料11中解吸，然后注入废气中。加热装置12以电阻的形式，但还可以是通过传热流体（例如，发动机冷却剂或机动车辆的废气）提供的热交换器的形式。

系统进一步包括控制装置13，根据图2，控制装置13一方面能够围绕基准值调节储罐10内的压力，另一方面计量氨，使得氨可以以NOx还原反应的化学计量比持续地注入到机动车辆的废气中。

根据对一定数量的发动机和车辆参数的分析动态地确定压力设置点，所述参数例如为每个时刻排放的NOx的浓度、发动机润滑剂的温度、发动机冷却剂的温度、车辆的速度、发动机速度、发动机负荷或这些参数的组合。

控制装置13优选包括设计成测量储罐10内的压力的压力传感器14和诸如电磁阀的氨气的计量单元15。应当指出，温度传感器可代替压力传感器，压力通过计算来确定。优选地，在计量单元15的出口增加用于测量氨的流速的流量计16。其还包括在它的出口处的音速喉部17，该音速喉部17使得能够衰减压力振荡。前段中的至少一些参数被集成到连接至发动机控制单元19的电子控制单元18中，使得控制单元18可驱动加热设备12，以便获得表示机动车辆的行驶条件的基准压力。

当在储罐10内产生足够高和足够稳定的压力时，环在流量计16上的计量单元15使得能够根据由控制单元19计算的流速，通过注入模块20将氨注入到机动车辆的废气中。

根据本发明的优选形式，驱动加热装置12，使得加热装置12传递其最大功率以加速储罐10内的压力升高，并且当在称为围绕设置点压力调节储罐10内的压力的阶段之前的称为初始阶段的阶段期间条件是有利的且唯一的时候，在机动车辆已启动之后仍这样操作，该设置点压力的值通过上面已经提及的若干参数来计算。

当储罐10内的压力接近基准值时，控制单元19驱动加热装置12的功率，以围绕计算的基准压力来调节储罐10内的压力。

车辆一启动，储罐10内的压力接近基准值所需的时间则取决于若干参数，尤其是：

-当机动车辆启动时储罐10中的初始压力，该初始压力与环境温度和从车辆的停止开始所花费的时间有关；

-加热设备12的功率；

-存储材料11的热导率。

由于金属氯化盐的热导率较低，因此将膨胀的天然石墨类型的粘合剂加入到盐中。

用氨填充材料的速度还对储罐10内的压力升高有影响。事实上，当存储材料11对氨完全饱和时，通过加热装置12传输的热量立刻可用于提高位于附近的氨复合物的温度，这具有增加储罐10内的压力的结果。当存储材料11缺乏氨时，热量必须在材料中传输直到距离加热装置12最远的氨复合物。随着材料11缺乏氨，压力的演变减慢。此外，由于所述材料11在其氨解吸期间的体积收缩，其热导率随着储罐的氨的缺乏而逐步下降。

考虑到上述内容，通过在每个发动机启动时连续执行三个操作来评估用氨填充储罐10的速度，即：

-包括选择用于评估储罐中的氨的量的有利条件的操作；

-一方面包括测量储罐10内的压力升高时间以及另一方面包括确定压力对由此得到的时间的导数的操作；

-包括根据压力升高时间和压力对时间的导数确定储罐中的氨的量的操作。

选择有利条件

该操作的目的在于选择对于在初始阶段期间测量储罐10中的压力升高的典型案例。当满足两个条件时，传送正的设置点。

第一条件是确保初始条件稳定，使得储罐10在上述运行后已返回至稳定的温度和压力状态（在材料中没有温度梯度）。这样做的话，当系统启动时（P0：初始压力）压力测量将与环境温度下存储容器中预期的平衡压力（P_amb）相比较。利用在发动机控制单元19中可用的环境温度（T_amb）的测量，通过Clausius-Clapeyron关系来计算该预期压力，在Clausius-Clapeyron关系下ΔHr和ΔSr为所使用材料的特性并且R为理想气体常数。

$\ln P_{\mathrm{amb}}=\frac{-\mathrm{\ΔHr}}{R\×T_{\mathrm{amb}}}+\frac{\mathrm{\ΔSr}}{R}$

当在启动时测量的初始压力P0与预期压力P_amb相差很大时，条件不利于相关评估，设置点为负。实际上，如果：0.7X P_amb<Po<1.3XP_amb，则储罐10内的压力和温度被看作是稳定的。更严格的值可以设想为大约0.8X P_amb<Po<1.2X P_amb。

第二条件为压力升高阶段（初始阶段）必须正常发生。目的在于消除在典型条件下不能发生压力升高的情况，换句话说，目的在于在压力升高的整个持续时间期间的恒定最大功率。例如，这是在发动机停止期间、压力升高期间、或当没有足够可用的电能（充电量）时这样的情况。

评估操作范围

在围绕基准值调节所述压力的阶段之前的初始阶段期间，图3的曲线图中示意性地示出了针对用氨填充存储材料以及因此储罐包含所述材料的三个不同速度，储罐10内的压力的演变。更具体地，示意性地示出了针对分别用100%、50%和10%的氨填充储罐的速度，在所述初始阶段期间储罐内的压力的演变。注意，根据图3，随着存储材料的氨的缺乏，在初始阶段期间压力升高减慢。

根据图4的曲线图，其中表示根据填充储罐的三个速度的压力对时间的导数的演变，该对时间的导数逐渐增加直到切换至调节阶段。随着材料的氨的缺乏，热传导率下降，对时间值的导数下降。

通过两个映射来确定操作范围的评估。其中一个映射表示在初始阶段期间根据环境温度和根据用氨填充储罐10的速度的储罐内的压力升高时间（图5）。另一映射不表示压力升高时间而是表示压力对时间的导数（图6）。

在本发明中，当选择有利条件时，在初始阶段期间测得的值Δt和dp/dt使得能够通过所考虑的系统的这两个特性映射和针对在发动机启动时所测量的初始压力来评估剩余操作范围。因此，可以通过对所考虑的储罐的校准来定义储罐中的氨的量。

构造操作范围信息

根据本发明的方法的感兴趣之处在于大量的测量可用（事实上在每次启动后有一个）。通过映射的该估计的限制为氨的量的估计的低精确度，特别是在初始压力接近基准压力的情况（例如，对于20和30℃之间的环境温度）。

为此，根据两个参数“压力升高时间”和“压力对时间的导数”的定期测量确定储罐10中的氨水平的估计。在本发明的优选配置中，异常值，即，距离之前测量太远（例如，5到10个之前测量）的值将被排除。有关储罐中的氨的量的信息将通过利用为所有更高更低环境温度的权值（在低环境温度下的更精确的测量）加权每个测量的平均而被重新计算为针对两个“压力升高时间”和“压力对时间的导数”测量中的每一个的X次最近测量（包括5和50个之间）的滑动平均值。

最后，传输至系统的其余部分的有关储罐中的氨的量的信息将根据“压力升高时间”和“压力对时间的导数”测量计算为这两个信息项目的平均值。

不言而喻，本发明并不限于上述以示例方式描述的实施方式，而是相反，其包含所有的实施方式变型。例如，测量设备还可用于估计氢存储系统的燃料电池的氢的量。

Claims (5)

1.用于确定系统的储罐（10）中的还原剂的量的方法，所述系统旨在还原机动车辆的废气中的NOx的量，所述系统包括：

-存储材料（11），所述存储材料（11）设置在所述储罐（10）中并且能够根据对还原剂的需求可逆地存储和释放所述还原剂，对还原剂的需求可随时间推移而变化；

-加热装置（12），所述加热装置（12）设计成提供热量以从所述存储材料（11）释放所述还原剂，以及

-控制装置（13），所述控制装置（13）用于驱动所述加热装置（12）以释放所述还原剂，

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)所述机动车辆一启动，就驱动所述加热装置（12），使得所述加热装置（12）在称为初始阶段的阶段期间传递恒定功率，在所述阶段中所述储罐（10）内的压力增加直到其达到预定值，然后调整所述加热装置（12）的驱动以围绕基准值调节所述压力；

b)测量所述初始阶段的时间或在所述初始阶段期间压力对时间的导数；

c)将测量的所述初始阶段的时间、所述压力对时间的导数或两者的组合与根据所述储罐（10）中的还原剂的量的初级阶段的各个校准的值相比较，以确定所述储罐（10）中的所述还原剂的量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，取所述测量的初始阶段的时间和所述压力对时间的导数之间的平均值，将该平均值与不同的校准的值相比较。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括在步骤a)之前的附加步骤，所述附加步骤包括确定当所述机动车辆启动时，所述储罐（10）内的压力和温度是否稳定。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述附加步骤期间，测量所述储罐（10）内的初始压力（P₀），然后与平衡压力（P_amb）相比较，以及其中，如果是以下的情况，则所述储罐（10）内的压力和温度被看作是稳定的：

0.7Xpamb＜Po＜1，3XP_amb。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述平衡压力(P_amb)通过以下关系进行计算：

$\ln P_{\mathrm{amb}}=\frac{-\mathrm{\&Delta;Hr}}{R\&times;T_{\mathrm{amb}}}+\frac{\mathrm{\&Delta;Sr}}{R}$

其中：ΔHr为焓以及ΔSr为针对所考虑的化学计量形成的还原剂/存储材料复合体的熵，

R为理想气体常数，以及

T_amb为环境温度

ln P_amb为P_amb的自然对数。

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